一种基于光纤级联复合传感技术的地下水监测装置

1.本发明涉及一种地下水监测装置，尤其是一种基于光纤级联复合传感技术的地下水监测装置，属于地下水监测技术领域。


背景技术：

2.地下水是重要的供水水源，对地下水动态进行长期监测是地下水资源科学管理工作的重要基础。传统人工水位测量设备多采用测绳，根据末端接触到水面的信号判断地下水位，存在比较大的主观因素误差，且无法进行实时监测。
3.地下水信息采集传输自动化可以解决地下水人工监测方式落后、信息管理能力较弱的问题。目前常见的地下水水位自动监测的仪器分为压力式水位计和浮子式水位计两大类。压力式水位计的压力传感器通过专用缆索悬挂在地下水测井内，测量装置被封装在壳体中，电源和数据储存装置集成在壳体中作为一体式压力水位计或者装在地面上作为压力传感器+主机的形式，由于测量装置通常采用电传感器，对封装的防水性和仪器的稳定性要求较高；浮子式水位计仪器的测量部分悬挂在测井水面以上，测量的数据对象较为单一，而且常见的浮子式水位计直径在6cm-10cm，不能用于孔径较小的监测井。此外，对于地下水的水质监测，通常采用定期取样化验分析的方法，目前很少进行原位的实时监测。
4.鉴于上述原因，亟需对地下水监测的方式进行优化改进，在提高精度和稳定性的情况下，实现原位的多指标实时监测。


技术实现要素：

5.为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于光纤级联复合传感技术的地下水监测装置，它能够实现地下水原位的多指标实时监测，包括水位、水温、ph值和氯离子浓度，提高了监测的精度和稳定性。
6.为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于光纤级联复合传感技术的地下水监测装置，包括宽带光源、监测模块以及光谱仪，所述监测模块具有外壳并悬挂固定在缆索下端，所述外壳内部设置隔板分为上腔室和下腔室，所述上腔室开设多个通孔并通过滤网覆盖，上腔室内布置有光纤耦合器、镀膜的长周期光子晶体光栅、布拉格温度光栅及级联长周期光栅，所述宽带光源、所述镀膜的长周期光子晶体光栅、所述布拉格温度光栅和所述光谱仪分别通过光纤与所述光纤耦合器连接，宽带光源与光纤耦合器之间设置有隔离器，光谱仪外联有计算机，镀膜的长周期光子晶体光栅与光纤连接点相对的一端镀有一层银镜，镀膜的长周期光子晶体光栅的内部微孔的侧壁镀有一层折射率仅受氯离子浓度影响的敏感膜，布拉格温度光栅外部罩设密封腔，所述级联长周期光栅通过光纤与光谱仪连接，级联长周期光栅由两个相同的涂有ph敏感型水凝胶的长周期光栅串联组成，所述下腔室内底部设置活塞缸与外界连通，下腔室内布置有布拉格应变光栅及与其配合的活塞杆，所述布拉格应变光栅两端分别通过光纤与布拉格温度光栅和级联长周期光栅连接，所述活塞杆的活塞设置于所述活塞缸内，活塞杆的连杆伸出活塞缸且其端部与所述隔板之间设置弹
簧，活塞杆和活塞缸分别设置有夹持支臂，布拉格应变光栅固定在两个所述夹持支臂之间。
7.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过布拉格应变光栅、布拉格温度光栅、级联长周期光栅和镀膜的长周期光子晶体光栅协同配合，能够实现原位的多指标实时监测，指标包括水位、水温、ph值和氯离子浓度，采用光栅传感器无需供电，通过光纤传导信号，相比于传统的电传感器测量形式稳定性更好，级联长周期光栅提高了ph值测量的精度，镀膜的长周期光子晶体光栅实现氯离子浓度的高灵敏度测量，为地下水监测提供了更全面的原位实时测量形式。
附图说明
8.图1是本发明的整体结构示意图；
9.图2是本发明的光路原理示意图；
10.图3是本发明的镀膜的长周期光子晶体光栅的工作光路图；
11.图4是本发明的布拉格温度光栅和布拉格应变光栅的工作光路图；
12.图5是本发明的级联长周期光栅的工作光路图。
具体实施方式
13.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.如图1～图2所示，一种基于光纤级联复合传感技术的地下水监测装置，包括宽带光源1、监测模块3以及光谱仪9。
15.所述宽带光源1和所述光谱仪9布置在测井外，宽带光源1提供光源信号并设置隔离器2避免反射光对宽带光源1造成影响，光谱仪9外联有计算机10实时显示监测数据。
16.所述监测模块3具有外壳并悬挂固定在缆索33下端，通过所述缆索33将监测模块3沿测井放入地下水一定深度，缆索33宜设置刻度线以便于读取下放深度，所述外壳宜选择密度大的材料制作且密度几乎不随温度改变，可以沉入水中并保持竖直的姿态，外壳内部设置隔板分为上腔室和下腔室。
17.所述上腔室开设多个通孔31并通过滤网覆盖，用于阻止泥土碎石等杂物进入外壳内部，上腔室内布置有光纤耦合器4、镀膜的长周期光子晶体光栅5、布拉格温度光栅6及级联长周期光栅8。
18.所述光纤耦合器4采用2
×
2光纤耦合器通过光纤分别连接宽带光源1、镀膜的长周期光子晶体光栅5、布拉格温度光栅6和光谱仪9。
19.所述镀膜的长周期光子晶体光栅5采用光子晶体光栅并与光纤通过光纤熔接技术连接，相比于普通的长周期光栅，光子晶体光栅由于微孔的存在有助于增加与地下水的接触面积。在微孔的侧壁镀有一层折射率仅受氯离子浓度影响的敏感膜，氯离子浓度会引起镀膜的折射率发生改变，导致长周期光子晶体的包层模式的有效折射率发生改变，当包层模式的有效折射率发生改变，由长周期光栅的相位匹配条件和波长表达式可知，波长漂移值即透射光谱的谐振波中心波长会发生相应的改变，通过事先的标定实验可以得到氯离子
浓度与波长漂移值的对应关系，进而实现地下水中氯离子浓度的测量。此外，在镀膜的长周期光子晶体光栅5与光纤连接点相对的一端镀有一层银镜，能够将传输过来的光源信号反射回去，使光源信号两次经过光栅，进一步提高测量精度。
20.工作光路结合图3所示：宽带光源1发出光源信号，经隔离器2和光纤耦合器4传到镀膜的长周期光子晶体光栅5处，由于末端银镜的存在光源信号两次经过光栅，再次经过光纤耦合器4后传到光谱仪9，通过事先标定的氯离子浓度与波长漂移值的对应关系，计算机10计算并显示地下水中的氯离子浓度。
21.所述布拉格温度光栅6外部罩设密封腔61，所述密封腔61中间填充有空气可以将外界温度传递至布拉格温度光栅6，布拉格温度光栅6处于自然非张紧状态，反射波长的漂移值仅受温度影响，由于布拉格温度光栅6反射光的中心波长漂移值与温度有很好的的线性关系，可事先通过标定实验得到波长漂移值与温度的对应关系，实现地下水水温的测量。
22.所述下腔室内底部设置活塞缸32与外界连通，下腔室内布置有布拉格应变光栅7及与其配合的活塞杆71。
23.所述布拉格应变光栅7两端分别通过光纤与布拉格温度光栅6和级联长周期光栅8连接，所述活塞杆71的活塞设置于所述活塞缸32内，活塞杆71的连杆伸出活塞缸32且其端部与所述隔板之间设置弹簧72，活塞杆71宜采用轻质材料制作降低质量，所述弹簧72宜具有较大的劲度系数以避免活塞杆71位移量较大使布拉格应变光栅7断开，活塞杆71和活塞缸32分别设置有夹持支臂73，布拉格应变光栅7固定在两个所述夹持支臂73之间，在未受力时处于自然非张紧状态，并且此时弹簧72与活塞杆71接触但无力的作用，弹簧72处于原长，在监测模块3放入地下水后活塞杆71受压向上使两个夹持支臂73对布拉格应变光栅7进行张紧。布拉格应变光栅7和布拉格温度光栅6取相同的周期，测量应变时，为避免温度对结果造成的影响，用布拉格温度光栅6为布拉格应变光栅7进行温度补偿，应变公式如下：
[0024][0025]
式中，ε表示应变，δλa表示温度和压力造成的轴向应变导致的布拉格应变光栅的波长漂移总量，δλb表示温度引起的布拉格温度光栅的波长漂移，k
ε
表示光栅应变灵敏度系数。
[0026]
将应变ε乘以两个夹持支臂73的间距得到弹簧72的位移量δx(两个夹持支臂73的间距预先测得，由于活塞杆71移动很小对两个夹持支臂73的间距造成的影响可以忽略)，根据胡克定律δf＝kδx可以计算得到活塞杆71所受的压力，根据p＝f/s可以计算得到活塞杆71表面压强，又因为p＝ρgh，已知压强可以计算得到活塞杆71深度，再结合缆索33下放深度和监测模块3的外壳尺寸可以测量出地下水水位。
[0027]
工作光路结合图4所示：宽带光源1发出光源信号，经隔离器2和光纤耦合器4传到布拉格温度光栅6和布拉格应变光栅7处，在两个光栅处分别发生反射，两次的反射光经光纤耦合器4传到光谱仪9进行解调。
[0028]
所述级联长周期光栅8通过光纤与光谱仪9连接，级联长周期光栅8由两个相同的涂有ph敏感型水凝胶的长周期光栅串联(用高频二氧化碳激光脉冲写刻法进行刻写长周期光栅，便于控制两个长周期光栅间的距离)组成，在自然状态下处于非张紧状态，所述ph敏感型水凝胶可采用海藻酸钠和n-异丙基丙烯酰胺制得，凝胶中的海藻酸钠会被固定在n-异
丙基丙烯酰胺的三维网格中，在酸性条件下水凝胶网格产生收缩，而在碱性条件下水凝胶的溶胀度增大，进而引起光栅的轴向应变，可事先通过标定实验得到轴向应变最终引起的波长漂移即透射光谱的谐振波中心波长漂移，得到波长漂移与ph的对应函数关系，从而测量出地下水ph值。进一步的，ph敏感型水凝胶制作过程中可加入致孔剂，以增加水凝胶的接触面积，减少测量的响应时间。
[0029]
级联长周期光栅8的优势在于当两光栅间的距离远大于光栅周期时，透射光谱图的损耗峰数目变多，带宽变窄，透射强度相比于单个长周期光栅有大幅度的提高，能提供更好的分辨率。
[0030]
工作光路结合图5所示：宽带光源1发出光源信号，经隔离器2、光纤耦合器4、布拉格温度光栅6和布拉格应变光栅7传到级联长周期光栅8处，透射光继续传播至光谱仪9进行解调。
[0031]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0032]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。